单向移动传感器网络在圆环上的分布式覆盖控制

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近年来,移动传感器网络在军事侦察、环境监测、信息收集等领域有着广泛的应用。覆盖控制问题作为其基本问题之一,受到了学者们越来越多的关注和研究。目前关于移动传感器网络覆盖控制的研究主要集中于同构传感器网络,而对于具有不同最大运动速度且运动方向受限的异构传感器网络研究较少。本文主要研究单向异构传感器网络在圆环上的覆盖控制问题。通过设计的覆盖控制律,驱使传感器节点从圆环上的初始位置移动到最优部署位置后保持静止,从而使得传感器网络到达圆环上任意一点所消耗时间最短。由于实际中传感器节点均有着最大速度的限制,针对不同的动力学系统,需要考虑的限制条件也不同。对于一阶动力学系统,考虑到其速度限制的问题即为系统输入饱和限制问题,设计的控制律利用了连续饱和函数法来保证传感器节点速度的有界性。为了避免传感器节点在运动过程中可能出现的碰撞,本文进一步引入了一种基于势能函数法的避碰策略,保证传感器节点之间的距离始终大于设定的安全距离。基于李雅普诺夫函数法证明了所提出的控制律能够使得传感器网络收敛到最佳位置。基于实际的情况以及牛顿力学定律,物体是在力的作用下产生加速度而运动。对于二阶动力学系统来说,其系统输入即为加速度,因此,研究二阶传感器网络的覆盖控制更加具有普遍意义。针对二阶系统中,传感器节点由于速度限制而存在的状态限制问题,所提出的控制律不仅需要保证传感器节点能够部署到最优位置,还要通过控制加速度的变化来保证传感器节点的速度一直是有界的。控制律的设计步骤主要分为两步进行,首先,设计合理的控制律形式来满足速度限制条件,然后再根据完成覆盖任务的充要条件,设计出具体的覆盖控制律。其次,在考虑到传感器节点在运动过程中,可能出现位置交错现象而破环传感器队列的情况,引入了新的顺序保持控制律来保证传感器节点之间的次序在任意时刻与初始时均是一致的。对所提出的控制律,采用了李雅普诺夫函数法证明了其收敛性。
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